本發(fā)明涉及一種反應(yīng)器，特別是涉及一種動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜測(cè)試用防冷凝型反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代分子光譜技術(shù)在物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。特別是在化學(xué)、化工領(lǐng)域，原位(in situ)及動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位(Operando)技術(shù)拓寬了催化領(lǐng)域的發(fā)展空間。基于相關(guān)研究開發(fā)的原位反應(yīng)器也日漸成熟。

以拉曼光譜為例，該技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)苛刻條件下(高溫高壓)的原位研究。但該類型光譜測(cè)試用的反應(yīng)器適用范圍依然不廣，對(duì)于存在低凝氣體的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)體系，氣體組分隨著反應(yīng)器內(nèi)部傳質(zhì)的流動(dòng)，易在高透光學(xué)窗片處發(fā)生冷凝，引起光束的偏移和能量的衰減。因此，目前還未有能在苛刻條件下有效對(duì)催化劑在含有低凝組分復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)體系中動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究的反應(yīng)器。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)者通過大量應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，在高溫高濕的氣候環(huán)境中進(jìn)行低溫實(shí)驗(yàn)，大氣中的水分遇低溫光學(xué)窗片在其外側(cè)發(fā)生冷凝，液滴凝聚在反應(yīng)器蓋及光學(xué)窗片上，造成入射光束無法聚焦、能量衰減，信號(hào)受到干擾，嚴(yán)重影響光譜分析的準(zhǔn)確度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜測(cè)試用防冷凝型反應(yīng)器，可用于包括拉曼等光譜學(xué)技術(shù)在內(nèi)的多種動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜研究，該反應(yīng)器能夠應(yīng)用于含有低凝性氣體的復(fù)雜反應(yīng)體系中，防止光學(xué)窗片內(nèi)側(cè)的冷凝現(xiàn)象的產(chǎn)生，可以避免凝聚的液滴造成光束聚焦干擾、能量衰減及采集信號(hào)強(qiáng)度弱的問題，以提高動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)驗(yàn)的時(shí)空分辨度。此外，本發(fā)明的反應(yīng)器能夠在高溫高濕氣象條件下進(jìn)行低溫測(cè)試，防止光學(xué)窗片外側(cè)的冷凝影響光譜實(shí)驗(yàn)信號(hào)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種用于動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜測(cè)試的防冷凝型反應(yīng)器，包括反應(yīng)器蓋和反應(yīng)器主體，其特征在于，所述的反應(yīng)器還包括一個(gè)主要由低壓區(qū)蓋和加熱帶組成的低壓區(qū)，于所述低壓區(qū)蓋的上表面中心設(shè)置光孔，光孔上設(shè)有低壓區(qū)高透光學(xué)窗片，低壓區(qū)蓋側(cè)壁分別設(shè)有氣體輸送入口和氣體輸送出口；所述加熱帶套裝于低壓區(qū)蓋內(nèi)；反應(yīng)器蓋位于加熱帶下方，反應(yīng)器蓋與低壓區(qū)蓋相連，形成低壓區(qū)密閉空間；

所述反應(yīng)器蓋上表面中心設(shè)有光孔，光孔上設(shè)置反應(yīng)器高透光學(xué)窗片，且該反應(yīng)器高透光學(xué)窗片與所述低壓區(qū)高透光學(xué)窗片位置對(duì)應(yīng)，處于同一光路；所述反應(yīng)器主體的中心設(shè)置有樣品池，該樣品池底部有原料輸送通道，反應(yīng)器主體側(cè)壁上設(shè)置產(chǎn)物出口通道；在反應(yīng)器主體和/或反應(yīng)器蓋上設(shè)置有冷卻水通道。

上述防冷凝型反應(yīng)器，所述低壓區(qū)還包括一個(gè)與加熱帶連接的低壓區(qū)DCS控制系統(tǒng)。

上述防冷凝型反應(yīng)器，所述加熱帶為環(huán)形加熱帶。

上述防冷凝型反應(yīng)器，所述低壓區(qū)蓋與所述反應(yīng)器蓋通過螺紋連接。

上述防冷凝型反應(yīng)器，所述反應(yīng)器主體還可連接一反應(yīng)器溫度DCS控制系統(tǒng)。

上述防冷凝型反應(yīng)器，所述反應(yīng)器高透光學(xué)窗片和低壓區(qū)高透光學(xué)窗片的材質(zhì)為石英或藍(lán)寶石。

上述防冷凝型反應(yīng)器，所述反應(yīng)器蓋與所述反應(yīng)器主體之間設(shè)置0型密封圈。

上述防冷凝型反應(yīng)器，所述反應(yīng)器蓋與所述反應(yīng)器主體通過螺栓連接。

本發(fā)明的動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜測(cè)試用防冷凝型反應(yīng)器具有如下有益效果：

1、本發(fā)明在防冷凝型反應(yīng)器上設(shè)置了低壓區(qū)，并設(shè)置了氣體通道，可用于光學(xué)窗片外的干燥氣體輸送或抽真空操作，保證光學(xué)窗片上不發(fā)生冷凝現(xiàn)象；

2、本發(fā)明防冷凝型反應(yīng)器的低壓區(qū)內(nèi)設(shè)置有環(huán)形加熱器，用于加熱低壓區(qū)內(nèi)氣氛，可使高透光學(xué)窗片溫度升高，有效改善了高溫低凝氣體凝結(jié)在高透光學(xué)窗片上的情況；

3、本發(fā)明防冷凝型反應(yīng)器設(shè)置的低壓區(qū)能夠防止冷凝現(xiàn)象的產(chǎn)生，可避免凝聚的液滴造成光束聚焦干擾、能量衰減及采集信號(hào)強(qiáng)度弱的問題，提高了動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)驗(yàn)的時(shí)空分辨度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜測(cè)試用防冷凝型反應(yīng)器拆分示意圖；

其中，1：低壓區(qū)蓋，2：加熱帶，3：光孔，4：低壓區(qū)高透光學(xué)窗片，5：低壓區(qū)氣體輸送入口，6：低壓區(qū)氣體輸送出口，7：低壓區(qū)DCS控制系統(tǒng)，8：線孔，9：反應(yīng)器蓋，10：反應(yīng)器高透光窗片，11：反應(yīng)器主體，12：樣品池，13：原料輸送通道，14：產(chǎn)物出口通道，15：反應(yīng)器溫度DCS控制系統(tǒng)，16：冷卻水通道，17：O型密封圈。

圖2為本發(fā)明動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜測(cè)試用防冷凝型反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中,1：低壓區(qū)蓋，4：低壓區(qū)高透光學(xué)窗片，5：低壓區(qū)氣體輸送入口，6：低壓區(qū)氣體輸送出口，7：低壓區(qū)DCS控制系統(tǒng)，9：反應(yīng)器蓋，11：反應(yīng)器主體,13：原料輸送通道，14：產(chǎn)物出口通道，15：反應(yīng)器溫度DCS控制系統(tǒng).

圖3為本發(fā)明動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜測(cè)試用防冷凝型反應(yīng)器的反應(yīng)器主體俯視圖；

其中，12：樣品池，13：原料輸送通道，14：產(chǎn)物出口通道，15：反應(yīng)器溫度DCS控制系統(tǒng)，16：冷卻水通道。

圖4(a)為采用傳統(tǒng)反應(yīng)器時(shí)Cu-Ce雙金屬催化劑在CO低溫氧化反應(yīng)的動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位拉曼光譜圖；(b)為采用本發(fā)明防冷凝型反應(yīng)器時(shí)Cu-Ce雙金屬催化劑在CO低溫氧化反應(yīng)的動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位拉曼光譜圖；

圖5(a)為采用傳統(tǒng)反應(yīng)器時(shí)Fe基催化劑在費(fèi)-托合成反應(yīng)的動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位拉曼光譜圖；(b)為采用本發(fā)明防冷凝型反應(yīng)器時(shí)Fe基催化劑在費(fèi)-托合成反應(yīng)的動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位拉曼光譜圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的防冷凝型反應(yīng)器包括低壓區(qū)、反應(yīng)器蓋9和反應(yīng)器主體11。低壓區(qū)包括低壓區(qū)蓋1和加熱帶2，低壓區(qū)蓋1的中心設(shè)置光孔3，光孔3處設(shè)置低壓區(qū)高透光學(xué)窗片4，低壓區(qū)高透光學(xué)窗片4采用石英或藍(lán)寶石材質(zhì)，低壓區(qū)蓋1上設(shè)置氣體輸送入口5和氣體輸送出口6，加熱帶2設(shè)置在低壓區(qū)蓋1內(nèi)，加熱帶2優(yōu)選為環(huán)形加熱帶，低壓區(qū)蓋1與反應(yīng)器蓋9通過螺紋連接，形成低壓區(qū)密閉空間。低壓區(qū)進(jìn)一步還可以包括低壓區(qū)DCS控制系統(tǒng)7，其通過低壓區(qū)蓋1上的線孔8與加熱帶2連接，用于控制加熱帶2的溫度。

反應(yīng)器蓋9的中心位置設(shè)置光孔，該光孔處設(shè)置反應(yīng)器高透光學(xué)窗片10，反應(yīng)器高透光學(xué)窗片10采用石英或藍(lán)寶石材質(zhì)，反應(yīng)器高透光學(xué)窗片10與低壓區(qū)高透光學(xué)窗片4位置對(duì)應(yīng)，處于同一光路，以使在采用本發(fā)明的反應(yīng)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜測(cè)試時(shí)激光能通過低壓區(qū)高透光學(xué)窗片4和反應(yīng)器高透光學(xué)窗片10聚焦在樣品上。進(jìn)一步，反應(yīng)器蓋9內(nèi)還可以設(shè)置冷卻水通道，圖中未示出。

如圖2和圖3所示，反應(yīng)器主體11的中心設(shè)置樣品池12，樣品池12下方為原料輸送通道13，反應(yīng)器主體11的側(cè)壁上設(shè)置產(chǎn)物出口通道14。進(jìn)一步地，反應(yīng)器主體11與反應(yīng)器溫度DCS控制系統(tǒng)15連接。反應(yīng)器主體11設(shè)置冷卻水通道16，在保證反應(yīng)器主體11不受溫度影響而變形的同時(shí)，還可以使得反應(yīng)器主體11外側(cè)溫度接近室溫，同時(shí)可通過使用不同冷卻劑使得樣品池12溫度低于室溫，進(jìn)行低溫實(shí)驗(yàn)。

反應(yīng)器蓋9與反應(yīng)器主體11之間設(shè)置O型密封圈17，反應(yīng)器蓋9通過O型密封圈17和螺栓與反應(yīng)器主體11閉合。

本發(fā)明的動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜測(cè)試用防冷凝型反應(yīng)器在應(yīng)用于具有低凝點(diǎn)組分反應(yīng)體系時(shí)，對(duì)低壓區(qū)通入不凝的惰性氣體，然后進(jìn)行抽真空加熱操作，通過熱傳導(dǎo)使得反應(yīng)器蓋上的高透光學(xué)窗片溫度高于低凝組分的凝點(diǎn)，防止其在反應(yīng)器蓋上的高透光學(xué)窗片內(nèi)側(cè)發(fā)生冷凝，保證了反應(yīng)器蓋上的高透光學(xué)窗片和低壓區(qū)高透光學(xué)窗片兩側(cè)的清潔。當(dāng)反應(yīng)器在高濕度的氣象環(huán)境進(jìn)行低溫操作時(shí)，對(duì)低壓區(qū)通入不凝的惰性干燥氣體后加熱，使得低壓區(qū)內(nèi)的溫度高于反應(yīng)器周圍環(huán)境溫度，從而使環(huán)境中的水份不會(huì)在反應(yīng)器蓋上的高透光學(xué)窗片和低壓區(qū)高透光學(xué)窗片兩側(cè)發(fā)生低溫冷凝現(xiàn)象。

在未設(shè)置低壓區(qū)的傳統(tǒng)反應(yīng)器和本發(fā)明的反應(yīng)器中分別進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。

實(shí)施例1

本實(shí)例中，采用如圖1所示的動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)原位光譜測(cè)試用防冷凝型反應(yīng)器。反應(yīng)器主體11和反應(yīng)器蓋9均采用不銹鋼材質(zhì)，反應(yīng)器主體11直徑為62mm，高20mm，內(nèi)部樣品池12空間尺寸直徑為24mm，深16mm，樣品池12外徑為14mm，內(nèi)徑10mm，深5mm。O型密封圈17外徑為43.5mm，內(nèi)徑38.5mm。低壓區(qū)高透光學(xué)窗片4和反應(yīng)器高透光學(xué)窗片10的直徑均為17mm，厚1mm，低壓區(qū)蓋1外徑為54mm，壁厚為3mm。低壓區(qū)蓋1中心處設(shè)有直徑16mm的光孔3，環(huán)形加熱帶2直徑為30mm。

在濕度90％，溫度35℃的室內(nèi)條件下，進(jìn)行CO低溫氧化的拉曼(Raman)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)原位實(shí)驗(yàn)，將Cu-Ce雙金屬催化劑樣品填于墊有石英棉的樣品池12中，安裝好反應(yīng)器后，調(diào)節(jié)鏡頭及平臺(tái)位置使激光聚焦在樣品池12中的樣品上。通過原料輸送通道13將CO+O₂輸送至反應(yīng)器內(nèi)，向低壓區(qū)的氣體輸送入口5通入不凝的惰性氣體，如高純氬或高純氮，然后加熱環(huán)形加熱帶2，使低壓區(qū)的溫度高于35℃。冷卻水通道16連接外置循環(huán)低溫槽，以乙二醇水溶液為冷卻液輔助控溫。本實(shí)施例中以1℃/min，使反應(yīng)溫度從15℃升溫至100℃，適時(shí)采譜及產(chǎn)物分析。圖4(a)為采用未設(shè)置低壓區(qū)的傳統(tǒng)反應(yīng)器的拉曼譜圖，(b)為采用本發(fā)明的防冷凝型反應(yīng)器的拉曼譜圖。從圖中可以看出，在反應(yīng)溫度為15℃時(shí)，傳統(tǒng)反應(yīng)器外表面有大量冷凝水珠，覆蓋在反應(yīng)器高透光學(xué)窗片外側(cè)，光譜信號(hào)受到嚴(yán)重影響，而在本實(shí)施例的反應(yīng)器中，無冷凝現(xiàn)象發(fā)生，光譜信號(hào)未受任何影響；當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到40℃以及60℃時(shí)，由于此時(shí)反應(yīng)溫度已經(jīng)高于環(huán)境溫度35℃，傳統(tǒng)反應(yīng)器的光譜信號(hào)也得到了恢復(fù)?？梢?，本發(fā)明的反應(yīng)器在高濕度的氣象環(huán)境進(jìn)行低溫操作時(shí)，對(duì)低壓區(qū)通入不凝的惰性干燥氣體后對(duì)低壓區(qū)進(jìn)行加熱，使得低壓區(qū)內(nèi)的溫度高于反應(yīng)器周圍環(huán)境溫度，能夠有效防止環(huán)境中的水份在反應(yīng)器蓋上的高透光學(xué)窗片和低壓區(qū)高透光學(xué)窗片上發(fā)生低溫冷凝現(xiàn)象，能夠避免光譜信號(hào)強(qiáng)度減弱。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中采用的防冷凝型反應(yīng)器同實(shí)施例1中的相同。在260℃、2MPa條件下進(jìn)行Fe基費(fèi)-托合成制備高附加值化學(xué)品實(shí)驗(yàn)，催化劑樣品先裝填于墊有石英棉的樣品池12中，樣品壓實(shí)平整后，蓋上反應(yīng)器蓋9和O型密封圈17，用螺栓和螺母將反應(yīng)器主體11和反應(yīng)器蓋9密封。然后將低壓區(qū)蓋1蓋上，向低壓區(qū)的氣體輸送入口5通入不凝的惰性氣體高純氬，然后將低壓區(qū)進(jìn)行抽真空操作至真空度為0.08MPa，加熱低壓區(qū)至200℃。冷卻水通道16連接外置循環(huán)低溫槽，以水為冷卻液輔助控溫。將安裝完成后的反應(yīng)器固定在檢測(cè)平臺(tái)上，調(diào)節(jié)鏡頭及平臺(tái)位置，調(diào)節(jié)樣品池12位置，使激光聚焦在樣品上。將原料輸入通道13連接原料供應(yīng)系統(tǒng)，產(chǎn)物出口通道14連接產(chǎn)物分析系統(tǒng)，通入反應(yīng)氣氛(CO+H₂)，調(diào)節(jié)壓力，逐步升溫，適時(shí)采譜，拉曼譜圖見圖5(b)。在未設(shè)置低壓區(qū)的傳統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，獲得拉曼(Raman)光譜圖見圖5(a)。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為20h時(shí)，采用傳統(tǒng)反應(yīng)器，Raman信號(hào)明顯受到高透光學(xué)窗片上冷凝污漬的影響，分辨度大幅降低，而在本發(fā)明的反應(yīng)器中，光譜信號(hào)未受到影響；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為32h時(shí)，采用傳統(tǒng)反應(yīng)器，光譜信號(hào)受到了嚴(yán)重影響，基本無法分辨，而在本發(fā)明的反應(yīng)器中，信號(hào)未受到影響。可見，在將本發(fā)明的反應(yīng)器應(yīng)用于具有低凝點(diǎn)組分反應(yīng)體系時(shí)，對(duì)低壓區(qū)通入不凝的惰性氣體，然后進(jìn)行抽真空加熱操作，通過熱傳導(dǎo)使得反應(yīng)器蓋上的高透光學(xué)窗片溫度高于低凝組分的凝點(diǎn)，防止其在反應(yīng)器蓋上的高透光學(xué)窗片上發(fā)生冷凝，保證了反應(yīng)器蓋上的高透光學(xué)窗片和低壓區(qū)高透光學(xué)窗片的清潔，能夠避免光譜信號(hào)因?yàn)楦咄腹鈱W(xué)窗片上凝聚的液滴而減弱。